飛機天線罩氣動外形設(shè)計研究

引言

天線罩又稱雷達天線罩,是保護天線免受自然環(huán)境影響的殼體結(jié)構(gòu)。其使用要求是應(yīng)具有優(yōu)異的介電性能,足夠的強度和剛度,良好的氣動外形。

天線罩的設(shè)計要求來源于電、結(jié)構(gòu)、環(huán)境、載體等方面。一般根據(jù)空氣動力學(xué)要求,確定天線罩的外形和尺寸:依據(jù)電性能指標(biāo)、載荷分布、載體和環(huán)境條件(溫度、濕度、高度等),選擇天線罩的類型,分析天線罩對天線主要電性能的影響,進行強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析,制定設(shè)計方案。

1設(shè)計準(zhǔn)則

飛機天線罩氣動外形設(shè)計應(yīng)以滿足天線安裝與電性能設(shè)計要求,減少迎風(fēng)阻力為原則,根據(jù)天線的安裝位置和包絡(luò),在保證天線罩內(nèi)形與天線包絡(luò)之間的安全間隙前提下,構(gòu)造出曲面外形。具體應(yīng)遵循以下原則:

(1)天線罩氣動外形設(shè)計應(yīng)綜合權(quán)衡電性能設(shè)計要求、總體布置要求、氣動設(shè)計要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求等因素,形成最佳的設(shè)計方案:(2)應(yīng)優(yōu)先滿足天線的電性能設(shè)計要求,如天線的透波率、極化方式、耐功率和方位角要求等:(3)設(shè)計的天線罩應(yīng)具有良好的流線外形,使天線罩引起的氣流分離和附加阻力盡可能小,并兼顧對飛機穩(wěn)定性和操縱性的影響:(4)設(shè)計的天線罩應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計需求,工藝性和維護性要求:(5)在設(shè)計天線罩前,應(yīng)對各類型天線作分析,考慮天線罩的通用性,適應(yīng)后續(xù)天線換裝需求。

2基本構(gòu)型

依據(jù)天線電性能設(shè)計要求、內(nèi)部布置限制條件和飛機可布置區(qū)域限制,確定天線罩的基本構(gòu)型。亞音速特種飛機基本構(gòu)型一般采用前圓后尖,類似水滴形的外形。

2.1總體布置

對于機身承載,天線罩應(yīng)盡量選擇表面壓力梯度較小、流線分布均勻,且對機翼、尾翼流場影響較小的位置,并盡量布置在重心線所在的水平面或?qū)ΨQ面內(nèi),減小不必要的附加力矩。對于機翼和尾翼承載,天線罩應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐慕Y(jié)構(gòu)承重能力要求,還需要盡量不改變機翼、尾翼的表面及空間的流場特性,以翼尖布置為主?？傮w布置對天線罩氣動外形設(shè)計的主要約束條件如下:

(1)機身頭部的天線罩氣動外形應(yīng)與飛機座艙設(shè)計相協(xié)調(diào),滿足座艙的視野要求,并在外形上與機身前段外形光滑、融合過渡:(2)機身前段和中段天線罩氣動外形最低點應(yīng)保持與地面的安全距離,在起落架全壓縮、爆胎的情況下,天線罩應(yīng)與地面保持至少75mm以上距離:(3)機身尾段天線罩最低點應(yīng)考慮飛機擦地角的限制,避免飛機起飛著陸時,天線罩與地面相碰:(4)布置在機身兩側(cè)或懸置于機身上方的天線罩應(yīng)考慮任務(wù)剖面下飛機迎角的影響,盡量保證天線罩的中軸線與飛機水平基準(zhǔn)線的夾角與飛機巡航迎角相同:(5)確定天線罩布置位置和氣動外形時,應(yīng)降低對天線罩后方天線和機體結(jié)構(gòu)的不利影響,如振動、氣動噪聲等。

2.2氣動設(shè)計

由于二次曲線所組成的部件理論外形已完全能滿足氣動力性能要求。一般情況下,其形狀采用圓柱形、球形或拋物面形,而機身、發(fā)動機短艙以及起落架整流罩等雙曲度外形可采用指數(shù)曲線。通常情況下,為兼顧氣動設(shè)計和電性能,應(yīng)遵循以下規(guī)定:

(1)綜合優(yōu)化天線罩橫向和縱向截面的面積分布,盡可能減小迎風(fēng)面積和浸潤面積:（2)長細比大有利于氣動性能,而不利于電性能,選擇合適的長細比)天線罩的長度與根部直徑之比(2~3),可較好地兼容電性能和氣動設(shè)計要求:(3)天線罩最小包絡(luò)面應(yīng)考慮耐功率要求、天線罩內(nèi)形與天線包絡(luò)之間的安全間隙)固定式天線≥20mm,運動式天線≥30mm)、天線罩自身的厚度和受載后的變形量及制造公差要求:(4)一般情況下,天線罩氣動外形至少一階連續(xù),氣動特性敏感區(qū)域采用二階連續(xù),曲率變化應(yīng)均勻,避免曲線局部凹凸波動:(5)如優(yōu)先考慮氣動性能,天線罩與飛機一體化設(shè)計,應(yīng)采用保形設(shè)計。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝性要求

在天線罩氣動外形對天線布置進行有效包容的前提下,還應(yīng)考慮天線安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計空間的需求。天線罩的外形應(yīng)可偏置,偏置范圍應(yīng)不小于天線罩實際厚度。

在制造工藝性方面,外形設(shè)計應(yīng)考慮以下幾個方面:

(1)避免外形特征截面線出現(xiàn)閉斜角,保證脫模的要求:

(2)對于氣動力要求不高的部位,宜采用單曲度外形來實現(xiàn)設(shè)計意圖:

(3)分離面的設(shè)置應(yīng)綜合考慮制造性、飛機結(jié)構(gòu)重量、疲勞強度和經(jīng)濟性等因素。

2.4設(shè)計程序

飛機天線罩氣動外形設(shè)計程序如圖1所示。

3設(shè)計驗證

飛機天線罩氣動外形設(shè)計完成之后應(yīng)進行驗證,驗證要求如下：

（1）總體外形設(shè)計人員完成天線罩外形設(shè)計,滿足天線罩設(shè)計總體要求:（2）天線罩氣動外形設(shè)計完成后,氣動、結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計專業(yè)應(yīng)對天線罩布置位置處的氣動特性和結(jié)構(gòu)強度進行分析驗證,保證天線罩布置滿足總體布置要求:（3）氣動操穩(wěn)專業(yè)需對初步設(shè)計的天線罩進行計算、仿真和風(fēng)洞試驗,保證天線罩滿足氣動設(shè)計、全機性能和操穩(wěn)設(shè)計要求:（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)需對天線罩理論外形進行偏置度和安全間隙檢查驗證:（5）天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,強度專業(yè)需進行天線罩的強度和剛度計算,仿真和試驗,要求變形量在允許的范圍內(nèi):（6）工藝設(shè)計需對天線罩理論外形進行拔模角和多切面曲率分析驗證,保證天線罩具有較好的工藝制造性:（7）任務(wù)系統(tǒng)單位需對天線罩進行電性能測試,保證天線罩滿足電性能設(shè)計要求。

4結(jié)語

本文明確了飛機天線罩氣動外形設(shè)計要求,提出了相應(yīng)的設(shè)計程序,可以規(guī)范和指導(dǎo)設(shè)計人員進行天線罩氣動外形設(shè)計。最后,明確了各專業(yè)驗證天線罩氣動外形設(shè)計質(zhì)量的內(nèi)容、方法和要求。上述論述為天線罩的順利研制提供技術(shù)思路和技術(shù)途徑,可提高天線罩研制的質(zhì)量和經(jīng)濟性。

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